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文檔簡(jiǎn)介
1、商丘科技職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文題目:NAT技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)系系別專業(yè)學(xué)生姓名成績指導(dǎo)教師2021年4月摘要隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及,ip地址缺乏問題n益惡化,為了緩解問題,在ip地址分配和保存IP地址方面提出了許多方法,甚至提出新一代的IPv6技術(shù)從根本上解決地址空間問題。但由于多方面的原因,NAT成為了事實(shí)上廣泛使用的解決方法,是我們至今在互聯(lián)網(wǎng)上沒有使用完合法IPv4地址的真實(shí)原因。它主要思想是把本地的私有IP地址映射到公網(wǎng)的合法IP地址,以緩解可用IP地址空間的消耗。本課程設(shè)計(jì)主要對(duì)NAT技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,并舉出一個(gè)應(yīng)用實(shí)例,在網(wǎng)絡(luò)模擬器中將其具體實(shí)現(xiàn),深入了解其工作原理與數(shù)據(jù)包每次
2、被修改的情況,了解技術(shù)存在的缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞:IP地址分配保存IP地址NAT實(shí)用文檔.緒論1第1章背景簡(jiǎn)述2IP地址現(xiàn)狀2現(xiàn)存解決方案2第二章NAT技術(shù)分析3NAT類型3NAT術(shù)語4NAT工作原理4第三章NAT的應(yīng)用實(shí)例6實(shí)例描述6實(shí)例的設(shè)計(jì)方案7實(shí)例的配置重點(diǎn)8實(shí)例的分析10結(jié)束語12參考文獻(xiàn)13實(shí)川文檔.緒論隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及,接入網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)數(shù)最增長非常迅速,目前使用的IPv4地址空間有限,可用的公網(wǎng)合法ip非常短缺。人們?yōu)榱司徑饪谝鎼夯牡刂啡狈栴},在n地址的分配和保存ip地址方面采取了許多方法?,F(xiàn)存的解決方法包括ISP方面對(duì)公網(wǎng)地址的動(dòng)態(tài)分配與回收、使用DHCP動(dòng)態(tài)分配與回收、可變長子網(wǎng)
3、掩碼(VLSM)叫支術(shù)、無類域間路由(CIDR)技術(shù),甚至提出新一代的IPv6技術(shù)從根本上解決地址空間問題,但由于多方面的原因,IPv6到目前還沒有得到普及,而網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)技術(shù)的使用,是我們至今在互聯(lián)網(wǎng)上沒有使用完合法IPv4地址的真實(shí)原因。它主要思想是把本地的私有IP地址映射到公網(wǎng)的合法IP地址,以緩解可用IP地址空間的消耗。雖然,它沒有像IPv6那種從根本上解決問題,但在IPv6沒有得到普及的今天,成為了事實(shí)上廣泛使用的解決方法。第1章背景簡(jiǎn)述1.1 IP地址現(xiàn)狀眾所周知,在通信中,用戶是靠號(hào)碼來識(shí)別的。同樣,在網(wǎng)絡(luò)中為了區(qū)別不同的計(jì)算機(jī),也需要給計(jì)算機(jī)指定一個(gè)號(hào)碼,這個(gè)號(hào)碼就是
4、“IP地址”。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及,一個(gè)明顯的事實(shí)是:連接到網(wǎng)絡(luò)中的人員和設(shè)備數(shù)量每時(shí)每刻都在增加。理論上說,IPv4的可用地址只有大約232個(gè),實(shí)際上只有大約2億5萬個(gè)地址能夠給設(shè)備使用。大量的報(bào)告顯示,在地球上大約有65億人,超過10%的人連接到了Intemeto這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)讓我們注意到一個(gè)令人擔(dān)憂的現(xiàn)實(shí)情況:按照IPv4的容量,地球上的每個(gè)人甚至不能擁有一臺(tái)計(jì)算機(jī),IPv4正在面臨著地址枯竭的危機(jī)。針對(duì)這個(gè)問題,人們?cè)贗P地址的分配和保存IP地址方面做了許多工作和努力,來緩解日益惡化的地址缺乏問題。1.2 現(xiàn)存解決方案最常見動(dòng)態(tài)解決的方法是,當(dāng)合法用戶需要接入Intemet中時(shí),ISP為他分
5、配一個(gè)可用的IP地址,使他可以訪問網(wǎng)絡(luò),當(dāng)用戶斷開連接后,之前分配的IP地址,再由ISP收回,留待其他用戶接入時(shí),再把之前的IP地址分配給其他用戶。另一個(gè)常見的動(dòng)態(tài)解決方法是,通過DHCP效勞器動(dòng)態(tài)地為需要使用網(wǎng)絡(luò)效勞的主機(jī)提供自動(dòng)的TCP/IP配置,在使用完后便把IP地址回收到地址池中,為其他需要的主機(jī)提供分配。其他技術(shù)可以針對(duì)IP地址和子網(wǎng)掩碼來提供解決方案。如可以使用可變長子網(wǎng)掩碼(VLSM)技術(shù),更好地利用IP地址中的每一個(gè)二進(jìn)位,劃分出包含更少主機(jī)位的子網(wǎng)絡(luò),高效分配IP地址(較少浪費(fèi)),比有類IP地址提供了更多的靈活性。無類域間路由(CIDR)伴隨著VLSM而使用,將從VLSM產(chǎn)生
6、的無類的IP地址集中起來,會(huì)聚為一個(gè)代表較大范圍的單一路由表項(xiàng),減少了路由器中路由表的條目,從而減輕路由器的負(fù)擔(dān)。CIDR可看作子網(wǎng)劃分的逆過程。子網(wǎng)劃分時(shí),從主機(jī)號(hào)H部借位,將其合并進(jìn)網(wǎng)絡(luò)局部:而在CIDR的超網(wǎng)中,那么是將網(wǎng)絡(luò)號(hào)局部的某些位合并進(jìn)主機(jī)號(hào)局部。IPv6的提出,讓人們看到的希望,最稱為是最終解決方案。IPv6提供了豐富的地址空間(3.4*1038)町,實(shí)際上是n,4地址長度的4倍,IPv6的優(yōu)點(diǎn)還有其平安性、擴(kuò)展性和高可用性??上У氖牵钡浆F(xiàn)今,要用戶終端上IPv6還沒能普及,這迫使人們尋找更實(shí)際的、針對(duì)IPv4的技術(shù)。NAT技術(shù)的使用,是我們至今在互聯(lián)網(wǎng)上沒有使用完合法IPv
7、4地址的真實(shí)原因。NAT包括三種類型,分別是靜態(tài)NAT、動(dòng)態(tài)NAT和端口復(fù)用NAT(即PAT)。它主要思想是把本地的私有IP地址映射到公網(wǎng)的合法IP地址,以緩解可用IP地址空間的消耗。雖然,它沒有像IPv6那種從根本上解決問題,但在IPv6沒有得到普及的今天,成為了事實(shí)上廣泛使用的解決方法。第二章NAT技術(shù)分析NAT類型NAT,全稱網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換,分為三種類型:靜態(tài)NAT、動(dòng)態(tài)NAT和端口復(fù)用NAT(稱PAT)習(xí)。靜態(tài)NAT,是為了在私有IP地址和公網(wǎng)的合法IP地址之間允許一對(duì)一映射而設(shè)計(jì)的。這種類型需要網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)主機(jī)都擁有一個(gè)真實(shí)的InternetIP地址,適合內(nèi)網(wǎng)中的效勞器使用,因?yàn)樾谄?/p>
8、要向外部網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)效勞,IP地址不能總是動(dòng)態(tài)地改變。動(dòng)態(tài)NAT可以實(shí)現(xiàn)映射一個(gè)私有IP地址到公網(wǎng)合法IP地址池中的其中一個(gè)IPo這種類型不必像靜態(tài)NAT那樣,在路由器上靜態(tài)映射內(nèi)部到外部的地址,但是必須保證擁有足夠的真實(shí)IP,保證每個(gè)在Internet中收發(fā)包的用戶都有真實(shí)的IP地址可用。端口復(fù)用NAT,乂稱PAT,是最流行NAT配置類型。復(fù)用實(shí)際上是動(dòng)態(tài)NAT的一種形式,它映射多個(gè)私有IP地址到單獨(dú)一個(gè)公網(wǎng)合法IP地址,形成多對(duì)一的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)方式便是通過使用不同的端口。因此,它乂被稱為端口地址映射(PAT)。通過使用PAT,可實(shí)現(xiàn)上個(gè)用戶僅通過一個(gè)真實(shí)的公網(wǎng)IP地址連接到Internet,
9、而也因?yàn)檫@個(gè)原因,使用PAT是人們至今在互聯(lián)網(wǎng)上沒有使用完公網(wǎng)合法IP地址的真實(shí)原因。NAT術(shù)語在NAT轉(zhuǎn)換之前的地址叫做本地地址。因此,內(nèi)部本地地址實(shí)際上是指嘗試連接到Internet的主機(jī)的私有IP地址,而外部本地地址那么是目標(biāo)主機(jī)的地址。目標(biāo)主機(jī)通常是效勞器或網(wǎng)頁的公網(wǎng)IP地址。在NAT轉(zhuǎn)換之后使用的地址叫做全局地址。它們通常是使用公網(wǎng)合法IP地址,但如果不需要連接Inteniet,那么不一定需要公網(wǎng)IP地址了。在轉(zhuǎn)換之后,內(nèi)部本地地址變成了內(nèi)部全局地址。表3-1列出了這些術(shù)語的清晰含義:表3-1NAT術(shù)語名字含義內(nèi)部本地轉(zhuǎn)換之前的內(nèi)部源地址外部本地轉(zhuǎn)換之前的目標(biāo)地址內(nèi)部全局轉(zhuǎn)換之后的內(nèi)
10、部源地址外部全局轉(zhuǎn)換之后的目標(biāo)地址NAT工作原理下面通過例子說明NAT詳細(xì)工作原理。如圖3-1所示,主機(jī).1需要訪問外部網(wǎng)絡(luò)Intemet中的效勞器,它發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包到邊界路由器,該數(shù)據(jù)包的源地址為10.1.1.ioNAT轉(zhuǎn)換發(fā)生在邊界路由器中,該路由器識(shí)別出此數(shù)據(jù)包中的源地址為內(nèi)部本地IP地址,目標(biāo)是外部網(wǎng)絡(luò),它便把內(nèi)部本地地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)部全局地址172.168.2.2,并把轉(zhuǎn)換結(jié)果記錄到NAT表中。這個(gè)數(shù)據(jù)包使用轉(zhuǎn)換后的新的源地址被發(fā)送到路由器的外出接口,然后被送達(dá)效勞器。當(dāng)外部的效勞器產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)包并回送到路由器時(shí),路由器再使用NAT轉(zhuǎn)換表,把內(nèi)部全局地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)部本地地址,然后再修改數(shù)據(jù)
11、包的目的IP地址,然后送回發(fā)出請(qǐng)求的源主機(jī)10.1.l.loDA 172.168.2.210.1.1.1內(nèi)部本地 IP地址內(nèi)部全局 IP地址10.1.1 3170.168.2.410.1.12170.168.2.310,1 1 1170 168 2 2圖3-1根本的NAT轉(zhuǎn)換例如而在PAT轉(zhuǎn)換中,情況有些復(fù)雜,因?yàn)槭褂玫搅硕丝谔?hào),而所謂復(fù)用,是全部的內(nèi)部主機(jī)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)單獨(dú)的IP地址。如圖3-2所示,邊界路由器同樣把內(nèi)部本地地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)部全局地址,所不同的是每個(gè)轉(zhuǎn)換都帶上了端口號(hào)。端口號(hào)作用于傳輸層,加上端口號(hào)便可幫助路由器識(shí)別哪一臺(tái)主機(jī)接收返回的流量。內(nèi)部主機(jī).1請(qǐng)求外部效勞器63.4073
12、的資源,發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包在路由器處被修改,轉(zhuǎn)換成一個(gè)公網(wǎng)IP與隨機(jī)端口號(hào)的組合,并紀(jì)錄在NAT轉(zhuǎn)換表中。當(dāng)外部效勞器返回響應(yīng)數(shù)據(jù)包到路由器時(shí),雖然內(nèi)部全局IP地址都相同,但可以根據(jù)所分配的端口號(hào)來識(shí)別源主機(jī),從而把返回的流量送往請(qǐng)求效勞的源內(nèi)部主機(jī)。靜態(tài)與動(dòng)態(tài)NAT都是使用IP地址識(shí)別源主機(jī),由于PAT允許使用傳輸層的端口號(hào)來識(shí)別主機(jī),便可以更加節(jié)省公網(wǎng)的合法IP地址。實(shí)用文檔.10.LL310.1.1.2SA 10 1.1.1Internet10.1.1.1協(xié)議10.1 1.1內(nèi)部本地IP也熱,靖口內(nèi)部全局IP地址,端n外郃全局IP地址,堂門TCP10.1.1.31723170 168.2.
13、2 149263 41.7 3:23TCP10 1 121723170 168 2 2 172363 417 3:23TCP10 1 1 1 1024170 16822102463 40 7 3 231、了紅衣圖3-2 PAT轉(zhuǎn)換例如第三章NAT的應(yīng)用實(shí)例3.1 實(shí)例描述GNS3是一款優(yōu)秀的開源的具有圖形化界面的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件,適用于多種操作系統(tǒng)。它可以用于運(yùn)行Cisco的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)IOS,或者是檢驗(yàn)將要在真實(shí)的路由器上部署實(shí)施的相關(guān)配置。同時(shí)它也可以仿真一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。簡(jiǎn)單說來它是Dynanups的一個(gè)圖形前端,而Dynamips那么是直接運(yùn)行IOS來模擬Cisco的路由器,通過利用本地網(wǎng)卡
14、,可虛擬出多個(gè)虛擬網(wǎng)上來模擬PC等設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。故本課程設(shè)計(jì)使用GNS3來模擬一個(gè)NAT的應(yīng)用實(shí)例,使用Cisco的3600系列路由器來進(jìn)行NAT轉(zhuǎn)換。實(shí)例在GNS3軟件中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4-1所示,加上了適當(dāng)?shù)膫渥?。pci內(nèi)網(wǎng)外部,eb服務(wù)圖4-1實(shí)例網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D本實(shí)例中內(nèi)網(wǎng)中在主機(jī)pci、pc2和內(nèi)部Web效勞器,需要到達(dá)的目標(biāo)是pci和pc2需要通過Internet訪問外部Web效勞器,而外部主機(jī)那么需要訪問內(nèi)網(wǎng)中的內(nèi)部Web效勞器。而現(xiàn)有的ISP分配的可用地址只有兩個(gè):202.100.100.1/24和202.100.100.2/24o3.2 實(shí)例的設(shè)計(jì)方案內(nèi)網(wǎng)中使用的是A類的私有IP
15、地址,而私有IP地址是不能在公網(wǎng)是被路由的,所以要到達(dá)實(shí)例的預(yù)期目標(biāo),必須在邊界路由器處對(duì)私有IP地址進(jìn)行NAT轉(zhuǎn)換,方可獲取網(wǎng)絡(luò)效勞。然而NAT有三種類型,下一步就應(yīng)該確定所使用NAT的類型。pci和pc2只需要訪問外部Web效勞器,無其他特別要求,三種類型都能適合要求,然而內(nèi)部Web效勞器的要求那么不一樣。外部主機(jī)需要可以訪問到內(nèi)部Web效勞器,這就決定了內(nèi)部Web效勞器必須除時(shí)擁有一個(gè)公網(wǎng)的合法IP,才能使外部主機(jī)可以隨時(shí)訪問。假設(shè)內(nèi)部Web效勞器使用動(dòng)態(tài)NAT和PAT來配置,在任意一個(gè)時(shí)刻內(nèi),外部主機(jī)根本無法知道內(nèi)部Web效勞器使用的地址與端口號(hào),也就無法進(jìn)行訪問了。因此,內(nèi)部Web效
16、勞器需要使用靜態(tài)NAT的轉(zhuǎn)換,來保證任意時(shí)刻都能為外部主機(jī)提供效勞。內(nèi)部Web效勞器的靜態(tài)NAT轉(zhuǎn)換需要分配一個(gè)公網(wǎng)IP地址,不妨就定為202.100.100.2/24,現(xiàn)在只剩下一個(gè)公網(wǎng)IP地址可用了。假設(shè)pci和pc2只使用動(dòng)態(tài)NAT,在任意一個(gè)時(shí)刻,只有其中一臺(tái)主機(jī)可訪問外部網(wǎng)絡(luò)效勞,但如果使用PAT,便可以令兩臺(tái)主機(jī)同時(shí)訪問外部網(wǎng)絡(luò)而不想到干擾。綜上所述,內(nèi)部Web效勞器應(yīng)該使用靜態(tài)NAT配置,而pci和pc2那么使用PAT配置,兩個(gè)公網(wǎng)IP地址202.100.100.1/24和202.100.100.2/24剛好都被利用到。3.3 實(shí)例的配置重點(diǎn)上面已經(jīng)分析與設(shè)計(jì)出實(shí)例的配置方案,下
17、而需要做的那么是在模擬器上進(jìn)行配置與運(yùn)行,測(cè)試設(shè)計(jì)方案是否可行。在路由器上的各端口的IP地址規(guī)劃與NAT端口角色如下:(1) F1/0是內(nèi)部端口:.100/24。(2) F2/0是內(nèi)部端口:.200/24。(3) F0/0是外部端口:202.100.100.1/24。在本規(guī)劃中,路由器的出口F0/0必須配置成公網(wǎng)IP地址,原因是,內(nèi)部地址在路由器中被轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)IP地址,而外部的效勞器與主機(jī)根本不知道這一過程,它們只知道與自己通信的源IP地址為202.100.100.1/24和202.100.100.2/24,假設(shè)不在F0/0上配置兩個(gè)公網(wǎng)IP地址,外部效勞器和外部主機(jī)所發(fā)的數(shù)據(jù)包無法到達(dá)路由器
18、,也就無法到達(dá)實(shí)例的通信目標(biāo)。首先進(jìn)行靜態(tài)NAT的相關(guān)配置在模擬器中登入路由器的控制臺(tái),可進(jìn)行所有功能配置。第一步對(duì)內(nèi)部端口F2/0進(jìn)行相關(guān)的配置如圖4-2所示:BouterltconftEnterconfigurationcommandsoneperline.EndwithCNTL/Z.RouterCconff2/0Router<config-if>ttipadd10.0.0.200255.255.255.0Router<config-if>#ipnatinsideRouterCconfig-if>ttnoshutRouter<config-if圖4-2端
19、口F2/0的配置實(shí)川文檔.第二步在全局配置模式下建立靜態(tài)NAT的映射,如圖4-3所示:RouterCconfig>ttRouterCconfig>ttipnatinsidesourcestatic10.0.0.1202.100.100.2nouter<configH圖4-3建立靜態(tài)NAT映射第三步便要對(duì)外部端口F0/0進(jìn)行相關(guān)的配置,如圖4-4所示:Routei*<config>#RouterCconfig>ttint£0/0RouterCconfig-if>ttipadd202.100.100.1255.255.255.0BouterCco
20、nfig-if>#ipnatoutsideBouterCconfig-if>ttnoshutRouterCconfig-if>#BouterCconfig-if>#圖4-4端口F0/0的配置然后進(jìn)行PAT的配置。第一步先對(duì)內(nèi)部端口F1/0進(jìn)行相關(guān)的配置如圖4-5所?。築outerCconfig>ttRouterCconfig>ttintf1/0RouterCconfig-if>#ipadd10.0.1.100255.255.255.0Routei*<config-if>#ipnatinsideRouterCconfig-i£>
21、;#noshutRouterCconfig-if>#BouterCconfig-if圖4-5端口Fl/0的配置第二步全局配置模式下建立PAT的映射,這與建立靜態(tài)NAT的映射不一樣,需要建立一個(gè)訪問控制列表(ACL)、一個(gè)地址池(盡管只有一個(gè)IP地址),并把兩者聯(lián)系起來,如圖4-6所小:RouterCconfig>ltaccess-list1permit10.0.1.10.0.0.0Router<config>#access-list1perrait10.0.1.20.0.0.0Router<config>ttRouter<config)#-Routei
22、*<confnatpoolpcs202.100.100.1202.100.100.1netnask255.255.255$Router<config>ttipnatinsidesourcelist1poolpcsoverloadRouter<config>ttRouter<conf圖4-6建立PAT映射第三步便要再一次對(duì)外部端口F0/0進(jìn)行相關(guān)的配置,但上而靜態(tài)NAT轉(zhuǎn)換中已經(jīng)做了,所以可以省略。命令ipnatinsidesourcelist1poolpcsoverload告訴路由器把匹配access-list1的IP地址轉(zhuǎn)換成名字叫pcs的IPNAT地址池
23、中的地址,而由于地址池中只有一個(gè)地址并在命令末尾帶上了“oveiload"關(guān)鍵字,所以會(huì)用相同的IP、不同的端口號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換。3.4 實(shí)例的分析下面對(duì)實(shí)例中的路由器中各端口可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析。當(dāng)pci和pc2同時(shí)(或較短時(shí)間間隔)訪問或pmg夕卜網(wǎng)的Web效勞器時(shí),所發(fā)送的數(shù)據(jù)包會(huì)在路由器中被修改源地址,并記錄在NAT轉(zhuǎn)換表中,如表4-1所示:表4-1PAT轉(zhuǎn)換條目協(xié)議類型內(nèi)部本地IP地址:端口內(nèi)部全局IP地址:端口目的地址IP地址:端口TCP.1:1234202.100.100.1:1024202.0.0.1:80TCP.2:1570202.100.100.1:1750
24、202.0.0.1:80當(dāng)外部的Web效勞器對(duì)pci和pc2訪問作出響應(yīng),返回包含效勞的數(shù)據(jù)包時(shí),目的地址將是202.100.100.lo路由器將返回的數(shù)據(jù)包比照轉(zhuǎn)換表,根據(jù)端口號(hào)來識(shí)別pci和pc2,然后根據(jù)結(jié)果返回相應(yīng)的內(nèi)網(wǎng)主機(jī)。當(dāng)外部主機(jī)請(qǐng)求內(nèi)網(wǎng)中的Web效勞器的效勞時(shí),會(huì)使用NAT轉(zhuǎn)換后的合法公網(wǎng)IP地址,而路由器中會(huì)在配置完成后便一直保存一條靜態(tài)NAT轉(zhuǎn)換的條目,如表4-2所示:表4-2靜態(tài)NAT轉(zhuǎn)換條目內(nèi)部本地IP地址內(nèi)部全局IP地址.1由于靜態(tài)條目一直存在,所以每次外部主機(jī)訪問202.100.100.2這個(gè)地址時(shí),都會(huì)被路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,然后再轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)部Web效勞器;當(dāng)內(nèi)網(wǎng)中的Web效勞器對(duì)外部主機(jī)的訪問作出響應(yīng),回發(fā)的數(shù)據(jù)包進(jìn)入路由器時(shí),被根據(jù)靜態(tài)轉(zhuǎn)換條目修改源IP地址。這樣,在任意時(shí)刻都可以對(duì)外部主機(jī)提供Web效勞。至此,實(shí)例的NAT設(shè)計(jì)方案根本上符合通信要
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